Zirkonoxid (TZP)

TZP ist eine Hochleistungskeramik, die durch die Stabilisierung von Zirkoniumdioxid (ZrO₂) mit Yttriumoxid (Y₂O₃) in der tetragonalen Phase gehalten wird. Undotiertes Zirkonoxid (ZrO₂) wandelt sich bei der Abkühlung von der tetragonalen in die monokline Phase. Dies Umwandlung geht mit einer Volumenänderung von ca. 4% einher, was zu einer Zerstörung des Bauteils durch Rissbildung führt. Die Dotierung bzw. die Stabilisierung von Zirkonoxid ist daher unerlässlich für die Verwendung des Werkstoffes. 

Transformation Toughening

Hauptverantwortlich für die hervorragenden Eigenschaften von TZP ist das sogenannte Transformation Toughening. Wenn sich ein Riss bildet, dann entsteht eine Spannungskonzentration um die Rissspitze. Diese triggert eine lokale Umwandlung von der metastabilen,  tetragonalen Phase in die monokline Phase.  Die Umwandlung braucht Energie, was die Rissenergie sinken lässt. Zudem entstehen, durch die erwähnte Volumenausdehnung von etwa 4%, Druckspannungen an der Rissspitze. Dies hemmt eine weitere Rissausbreitung und erhöht die Bruchzähigkeit (3, 4). 

Einfluss der Korngrösse (Hall-Petch)

Ein weiterer Mechanismus, um die mechanischen Eigenschaften zu erhöhen, ist die Korngrösse des Materials. Je kleiner die Korngrösse, desto besser die mechanischen Eigenschaften. Die Korngrösse hängt im Wesentlichen vom Primärpulver, der Herstellung des Halbzeugs und den Sinterbedingungen ab. Unser TZP zeichnet sich durch eine kleine Korngrösse aus, welche sehr homogen ist. Dadurch erzielen wir exzellente Festigkeitswerte. 

Anwendungen

TZP wird aufgrund seiner mechanischen Robustheit und Biokompatibilität in zahlreichen Bereichen eingesetzt

• Medizinische Implantate: Zahninimplantate und Hüftkugeln profitieren von der hohen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit (2,4).
• Maschinenbau: Verschleissteile wie Ventile oder Lager, Düsen, Messer, Fadenführer für die Textilindustrie, Schweissstifte und Pumpenteile. 
• Werkzeugbau: Schneidwerkzeuge aufgrund der hohen Härte und Verschleissfestigkeit.
• Uhrenindustrie / Schmuckindustrie: Lünetten, Knöpfe oder ganze Gehäuse wegen der Kratzfestigkeit, dem angenehmen Traggefühl und der herausragenden Ästhetik

Herausforderungen

Trotz seiner Vorteile ist TZP anfällig für Niedertemperaturdegradation (LTD = Low Temperature Degradation). Diese tritt bei längerer Exposition gegenüber Feuchtigkeit und Temperaturen zwischen 200–300 °C auf und führt zur Oberflächenrauheit sowie zum Verlust mechanischer Eigenschaften (2).

Aluminium verstärktes Zirkonoxid (TZP-A)

TZP-A ist eine Weiterentwicklung von TZP, bei der eine geringe Menge Aluminiumoxid (Al₂O₃), typischerweise 0.25%, hinzugefügt wird. Diese Modifikation verbessert die Langzeitstabilität und Beständigkeit gegenüber LTD erheblich.

Anwendungen von TZP-A

TZP-A findet Anwendung in Bereichen, in denen sowohl hohe Festigkeit als auch Langzeitstabilität erforderlich sind

• Medizinische Implantate: Insbesondere in feuchten Umgebungen wie Zahnimplantaten oder orthopädischen Prothesen.
• Industriekomponenten: Hochbelastete Teile wie Pumpenkomponenten oder Dichtungen.

Veredelungen

Die vertikale Integration der Prozesse erlaubt es uns Bauteile zu veredeln. So ist zum Beispiel eine breite Palette an Farben verfügbar. Dies ist vor allem für Anwendungen in der Uhren- und Schmuckindustrie interessant. Die Farbe wir nicht nachträglich durch Infiltration erzielt, sondern ist integraler Bestandteil der Ausgangsstoffe, aus denen das Halb- oder Fertigzeug gefertigt wird. Awalux bietet auch die Entwicklung eines kundenspezifischen Farbtones an. 

Fazit

Die vertikale Integration der Prozesse erlaubt es uns Bauteile zu veredeln. So ist zum Beispiel eine breite Palette an Farben verfügbar. Dies ist vor allem für Anwendungen in der Uhren- und Schmuckindustrie interessant. Die Farbe wir nicht nachträglich durch Infiltration erzielt, sondern ist integraler Bestandteil der Ausgangsstoffe, aus denen das Halb- oder Fertigzeug gefertigt wird. Awalux bietet auch die Entwicklung eines kundenspezifischen Farbtones an. 

Quellen:

1. AZoM: "An Introduction to Tetragonal Zirconia Polycrystal (TZP)" (2023)
2. Allen Press: "Y-TZP Ceramics: Key Concepts for Clinical Application" (2009)
3. Chevalier et al.: "Low-temperature degradation of zirconia" (J Am Ceram Soc, 2008)
4. Taylor & Francis: "TZP – Knowledge and References" (2019)